并網(wǎng)光伏電站中分裂繞組變壓器的優(yōu)勢分析

余宏韜

（上海市機(jī)電設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200040）

0 引言

太陽能作為一種清潔的可再生能源，是我國重點(diǎn)扶持的新能源。中國太陽能資源非常豐富，理論儲量達(dá)每年17000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，太陽能資源開發(fā)利用的潛力非常廣闊。光伏發(fā)電過去多以離網(wǎng)型工作方式應(yīng)用于偏遠(yuǎn)地區(qū)，而今則向光伏建筑集成、大型荒漠光伏并網(wǎng)發(fā)電的方向快速發(fā)展。

本文根據(jù)理論分析和工程實(shí)例，對分裂繞組變壓器在并網(wǎng)光伏電站中應(yīng)用的優(yōu)勢進(jìn)行了分析。

1 并網(wǎng)光伏電站主接線特點(diǎn)

光伏電站的主接線與逆變器布置方案有直接關(guān)系，一般光伏逆變器有分散型和集中型兩種，前者多用于光伏建筑集成項(xiàng)目，而后者多用于荒漠光伏電站，這主要是因?yàn)橥还庹諚l件下的光伏板組串應(yīng)接入同一逆變器和控制器下，以實(shí)現(xiàn)發(fā)電效率最高。對于采用集中型逆變器布置的光伏電站，雖然大面積的光伏板處于同一光照條件下，但并不是接入逆變器的組串越多或逆變器容量越大越好，這主要需依據(jù)電纜距離、壓降與逆變器價格綜合比選，因此組串匯流箱至逆變器的電纜長度、每塊光伏發(fā)電區(qū)塊的面積按照投資性價比均應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，按此原則每組集中式逆變器的經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化容量一般在500～630kW。

由此，并網(wǎng)光伏電站的主接線主要有圖1中的三種。采用單元接線形式，雖然接線形式簡單、保護(hù)可靠，但變壓器數(shù)量增加一倍，至上級升壓變壓器的線纜數(shù)量也相應(yīng)增加；而采用擴(kuò)大單元接線的方案是目前光伏電站的主流設(shè)計(jì)思路。

圖1 光伏電站的典型接線形式

本文討論擴(kuò)大單元接線采用分裂式繞組變壓器的優(yōu)點(diǎn)，與普通雙繞組變壓器相比，雙分裂式繞組變壓器每相由一個高壓繞組與兩個低壓繞組構(gòu)成，低壓繞組電壓和容量均相同，但低壓繞組間僅有較弱的磁耦合關(guān)系，如圖2所示。這種變壓器一般有三種運(yùn)行方式：穿越運(yùn)行、半穿越運(yùn)行、分裂運(yùn)行。當(dāng)分裂繞組的幾個分支并聯(lián)成一個總的低壓繞組對高壓繞組運(yùn)行時，稱為穿越運(yùn)行，此時變壓器的短路阻抗稱為穿越阻抗X1-2。當(dāng)?shù)蛪悍至牙@組的一個分支對高壓繞組運(yùn)行時，稱為半穿越運(yùn)行，此時變壓器的短路阻抗稱為半穿越阻抗X1-2′。當(dāng)分裂繞組的一個分支對另一個分支運(yùn)行時，稱為分裂運(yùn)行，此時變壓器的短路阻抗稱為分裂阻抗X2′-2″。

圖2 三相雙分裂繞組變壓器Y-d11，d11接線圖及等值電抗圖

2 分裂式繞組變壓器的優(yōu)勢

以下為方便討論，引用成熟產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)，以與普通雙繞組變壓器做出定量比選計(jì)算。2500kVA分裂式繞組變壓器基本參數(shù)如下：37±2×2.5%/0.36kV/0.36kV，50Hz，短路電抗百分比6.5%，全穿越電抗百分比6.5%，半穿越電抗百分比11.7%，分裂系數(shù)＜3.6%。

計(jì)算可得：

2.1 降低短路電流

當(dāng)圖2中的d1點(diǎn)短路時，短路電流應(yīng)包括三部分：系統(tǒng)（高壓側(cè)）提供的短路電流I″s（無窮大系統(tǒng)，周期分量不衰減）、非故障分支提供的短路電流I″P1和故障分支提供的短路電流I″P2。對于故障分支的低壓斷路器，其分?jǐn)嗄芰?yīng)考慮系統(tǒng)提供的短路電流和非故障分支提供的短路電流之和。當(dāng)采用分裂繞組變壓器時，系統(tǒng)提供的短路電流34.3kA；而逆變型分布式電源短路電流一般為2～4倍的額定電流，持續(xù)時間為1.2～5ms（0.06～0.25個周波），非故障分支提供的短路電流約為4kA。而采用普通雙繞組變壓器時（為具有可比較性，假設(shè)普通雙繞組變壓器短路電抗百分比uk%=6.5，與分裂繞組變壓器的全穿越電抗百分比uk1-2%相同），變壓器阻抗標(biāo)幺值，系統(tǒng)提供的短路電流，除此之外還應(yīng)考慮非故障分支提供的短路電流。可以看出，采用分裂繞組變壓器的擴(kuò)大單元接線，其低壓側(cè)分支斷路器的分?jǐn)嗄芰σ蟠鬄榻档汀?/p>

2.2 限制運(yùn)行環(huán)流

根據(jù)上文討論的光伏主接線特點(diǎn)，并網(wǎng)光伏電站的每個區(qū)塊組串基本相同，對應(yīng)逆變器及控制器配置也相同，但多種因素（如隨著運(yùn)行時間光伏板效率的正常衰減、多云天氣因素或地形建筑陰影的不均勻遮擋）均可造成同一區(qū)塊內(nèi)逆變器輸出功率不相等，進(jìn)而造成擴(kuò)大單元接線低壓側(cè)產(chǎn)生環(huán)流，導(dǎo)致元器件過電流，增加熱損耗。而分裂式繞組變壓器對環(huán)流的抑制作用很明顯，以上述項(xiàng)目為例具體討論如下：擴(kuò)大單元接線低壓側(cè)所連接逆變器相當(dāng)于并列運(yùn)行，等效電路如圖3所示。

圖3 兩臺逆變器并聯(lián)的等效電路

假設(shè)并聯(lián)模塊的參數(shù)完全相同，逆變器MPPT控制參數(shù)相同，則有C1=C2=C，L1=L2=L，每個逆變器的電感電流為：

由此可以看出每個逆變器的電感電流包括兩個部分：第一部分是負(fù)載電流，這一部分在兩個逆變器中是一樣的；第二部分是環(huán)流，環(huán)流與逆變器輸出電壓的幅值差、相位差、頻率有關(guān)。

目前光伏電站逆變器主要控制邏輯是采用“最大功率點(diǎn)跟蹤（MaximumPowerPointTracking）”，太陽能電池組件有內(nèi)電阻和外電阻之分，當(dāng)某一刻經(jīng)MPPT控制使得內(nèi)電阻和外電阻相等時，此刻光伏電池組件就工作在最大功率點(diǎn)。以圖3為例，逆變器1輸出有功P1和無功Q1為：

輸出功率與輸出電壓幅值E和功率角δ有關(guān)。理想假設(shè)并聯(lián)的兩套逆變器及光伏組串材質(zhì)、參數(shù)、工況、衰減全部相等，則控制器輸出電量的功率角應(yīng)相同，顯然這種控制邏輯下，兩臺輸入功率不同的逆變器輸出電壓應(yīng)相應(yīng)改變，即環(huán)流與光伏組串的輸入功率差成正比，與逆變器的濾波電感和分支電感之和成反比。本文作比較的兩種擴(kuò)大單元接線中，當(dāng)采用分裂式繞組變壓器時，工作于不同分支上的逆變器之間若產(chǎn)生環(huán)流，則相當(dāng)于逆變器之間工作在變壓器分裂運(yùn)行模式，其間分裂阻抗X2′-2″=X2′+X2″，約為普通雙繞組變壓器電抗值的1.5倍。而普通雙繞組變壓器對低壓側(cè)環(huán)流基本無限制作用，考慮到并網(wǎng)光伏電站逆變器—變壓器采用集中布置形式，逆變器與變壓器之間的導(dǎo)體阻抗基本可忽略不計(jì)，即分支電感為零，其環(huán)流幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于采用分裂繞組變壓器的擴(kuò)大單元接線形式。另一方面，采用分裂繞組變壓器的擴(kuò)大單元接線，其并聯(lián)逆變器與負(fù)載之間相當(dāng)于工作在分裂繞組變壓器全穿越運(yùn)行模式下，其全穿越阻抗X1-2=X1+X2′∥X2″與普通雙繞組變壓器短路阻抗相當(dāng)，因此采用雙繞組變壓器可顯著降低光伏發(fā)電站單元接線低壓側(cè)的環(huán)流，而對變壓器的運(yùn)行損耗影響不大。

2.3 非故障分支電壓保持

以上文圖2、圖3為例，因光伏電站一般采用集中式逆變器—變壓器布置，逆變器至變壓器的電纜阻抗可忽略不計(jì)，若采用普通雙繞組變壓器，則非故障分支電壓也降至零電位。這種情況下一般利用繼電保護(hù)的方法延時非故障分支斷路器動作，以減小事故切除范圍，但光伏電站采用這種方式可能無法滿足保護(hù)要求，因?yàn)槿艄收戏种谐龝r間超過逆變器低電壓穿越能力將會使非故障分支強(qiáng)制脫網(wǎng)，增加擴(kuò)大事故范圍的風(fēng)險。而采用分裂繞組變壓器時，因?yàn)榉至炎杩沟拇嬖?，系統(tǒng)提供短路電流相當(dāng)于工作在分裂繞組變壓器半穿越運(yùn)行形式，非故障分支提供短路電流相當(dāng)于工作在分裂繞組變壓器分裂運(yùn)行形式。短路瞬間，非故障分支逆變器出口電壓U″2=I″s×X′2+I″P2×（X′2+X″2），因?yàn)楦邏簜?cè)為無窮大系統(tǒng)，根據(jù)上文討論結(jié)果I″s遠(yuǎn)大于I″P2，因此第一部分I″s×X′2不衰減且大于第二部分I″P2×（X′2+X″2），計(jì)算可得U″2＞I″s×X′2=185V。非故障分支逆變器出口電壓至少可保持在約0.5Un，根據(jù)低電壓穿越要求光伏電站不脫網(wǎng)運(yùn)行曲線，其切除時間大于1s（50周波）。由此可以看出，采用分裂繞組變壓器的擴(kuò)大單元接線可可靠滿足故障分支斷路器切除時間內(nèi)非故障分支不脫網(wǎng)運(yùn)行的要求。

3 結(jié)語

分裂繞組變壓器在工程中有較多運(yùn)用，其對并網(wǎng)光伏電站的適用性尤其高，如上文討論所述，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在降低短路電流、限制運(yùn)行環(huán)流、維持非故障分支電壓等方面。本文依據(jù)工程設(shè)計(jì)實(shí)例對其在光伏電站中的應(yīng)用優(yōu)勢進(jìn)行了理論分析，對并網(wǎng)光伏電站工程中的接線形式選擇和設(shè)備比選具有一定的指導(dǎo)意義。

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